כיצד להשיג תנאי אימות של מערכות המופעלות על ידי סוללות

המונחים: shape in Battery-Powered Systems

מערכות המופעלות על ידי סוללה הן בכל מקום & mdash; ממוניטורים רפואיים לבישים וחיישנים אלחוטיים למכשירים רפואיים ניידים ו-IoT.בכל היישומים האלה, היכולת ללכוד ולעבד אותות אנלוגיים עם נאמנות גבוהה היא קריטית.אבל המגבלות של אנרגיה מוגבלת, מרחב הדוק, ולעתים קרובות סביבות הפעלה קשות הופכות אותות מדויקים של פעולת איזון קשה. מהנדסים חייבים לדחוס כל מיקרו-דגמה מהסוללה תוך שמירה על שלמות, רעש, רעש, רעש, רעש, רעש ורעש.

מיזוג אותות הוא הגשר בין העולם הפיזי לבין הליבה של קבלת ההחלטות הדיגיטלית של המכשיר שלך.זה מדגימה אותות זעירים, מסנן את רמות ההתערבות, שינויים מתח, ומבטיח את המריור האנלוגי-לספרי (ADC) רואה קלט נקי, בקנה מידה כראוי.ללא עיצוב זהיר, רעש ויכול לנסח את המדידה, לכפות צריכת חשמל גבוהה יותר עבור אי-תרגול או צמצום הפתרון היעיל של החיים; אשר מקצרים;

מאמר זה מספק מדריך מעשי, מעמיק להשגת התניה מדויקת במערכות המופעלות על סוללות.You תלמד טכניקות מפתח לבחירת רכיבים בעלי כוח נמוך, יישום סינון יעיל, קידוד טווחי אותות, וניהול כוח ללא ביצוע הקרבה.We גם מכסה שיקולים עיצוב, אמיתי-עולמי מסחר-offs, ובדיקת שיטות כדי להבטיח שהמערכת שלך מספקת מדידות אמינות על פני כל החיים שלה.

למה למקם את המצבים עבור חיי סוללה וכלכלה

בכל שרשרת מדידה, איכות האות המות בתנאי ישירות קובע את הדיוק האפשרי. במערכות המופעלות על סוללות, כל עוד מילימטריוואט בילה על הדגימה, סינון, או ADC מניע את הסוללה מהר יותר.

שקול צומת טיפוסי של IoT מתעורר כל דקה, לוקח מדידת, תהליכים זה, ומעביר את התוצאה. שלב התניית האות (מפיץ, מסנן, נהג ADC) יכול לצרוך חלק משמעותי של הכוח הפעיל.אם העיצוב משתמש מגבר שמרני מדי עם מגבר שמרני עם גבוה quiescent הנוכחי, הסוללה עשויה להימשך שבועות במקום שנים.

הנקודה המתוקה היא להבין את המאפיינים של פלט חיישן, את הדיוק של המערכת הנדרשת ואת סביבת הרעש. על ידי התאמה בזהירות שרשרת התניה האות לגורמים אלה, אתה יכול להשיג דיוק גבוה וחיי סוללה ארוכים.

טכניקות מפתח לייצוב של מצבי אותות במערכות המופעלות על ידי Battery

בחר נמוך כוח, Precision Amplifiers

(הופנה מהדף ה-IQ) הם המניפסטים של מיזוג אותות (עבור עיצובים המופעלים על ידי סוללות, השיקול הראשון הוא זרם ה-IQ (IQ). המגבר התפעולי המודרני (op-amps) מיצרנים כגון FLT:0Analograted מכשירים FLT:1 ו-FLT:2Texas InstrumentsF3) מציעים ערכי IQ מתחת למיקרו-F בעודם עדיין מספקים תדרים/Ric-to-to-to-tretreative.

בעת בחירת מגבר, שקול לא רק IQ אלא גם צפיפות רעש, מתח מכווץ, ויחס דחייה משותף (CMRR) מגבר בעל כוח נמוך מאוד עם רעש גבוה עשוי לדרוש סינון אגרסיבי כי לצרוך יותר כוח מאשר מגבר IQ גבוה במקצת עם רעש נמוך יותר.המסחר חייב להיות מוערך בהקשר של שרשרת אות מלא.

פרמטר חשוב נוסף הוא היכולת של המגבר לפעול במתחים היצע נמוך.מערכות המופעלות על סוללות רבות משתמשות בתא ליתיום חד-יון יחיד (3.0 –4.2 V) או שני תאי אלקליין (2.4 –3.6 V). לבחור מגברות ששומרות על ביצועים מוגדרים במתח הסוללה הנמוך ביותר הצפוי, כולל אזור הירידה אם משתמשים ב הרגולטור.

● יישום מסנן נכון ל- Reject Noise

רעש במערכות המופעלות על סוללות מגיע ממקורות רבים: מעבר דיגיטלי, משדרים אלחוטיים, צנרת חשמל, והתערבות אלקטרומגנטית סביבתית (EMI). מסנן מעוצב היטב מסיר רכיבים לא רצויים תוך שמירה על אות העניין.

מסנני RC פסיביים הם הבחירה היעילה ביותר כי הם לצרוך לא פעיל הנוכחי.עם זאת, הם לטעון את הפלט המגבר ולהציג את ההחזקה כי יש לפצות על ידי רווח במקום אחר. מסנן פעיל באמצעות דגימת תוספת כוח אבל יכול לספק Q גבוה ולהשיג בו זמנית. עבור מערכות מופעלות סוללות, הגישה המועדפת היא לעתים קרובות שילוב: מסנן נמוך פסיבי על ידי פאסיבי על הפלט כדי להפחית את הפלט נמוך, לאחר מכן, עם משוב נמוך עם השפעה נמוכה, לאחר מכן, עם השפעה נמוכה.

סינון דיגיטלי במיקרובקר יכול לשמש גם, אבל יש לו עלות כוח עקב מחזורי CPU. בעיצובים רבים, מסנן אנלוגי פשוט נגד הפליה לפני ADC הוא חיוני, ולאחר מכן תוספת של אייברציה דיגיטלית (מעלים) יכול לשפר את ההחלטה יעילה ללא ניקוז כוח מופרז.

3.אופטימיזציה של טווח אותות כדי להתאים את ADC

אחד הגורמים הנפוצים ביותר של דיוק אבוד הוא לא תואם רמות אותות.אם פלט חיישן הוא רק 10 mV בקנה מידה מלא אבל טווח קלט ADC הוא 0 –3.3 V, טעות קוונטית הופכת לשבריר משמעותית של המדידה.

בעיצובים מופעלים סוללות, ADC משולב לעתים קרובות לתוך המיקרובקר, עם מתח הפניה קבוע (למשל, להקות פנימיות או הפניה חיצונית) מקבל בשלב המגבר צריך להיות מוגדר כך אות חיישן מקסימלי הצפוי (כולל כל offset) תופסת 90 – 95% של טווח קלט ADC.זה משאיר חדר עבור פסגות transients וסובלנות תוך כדי למקסם את השימוש של סיביות זמין.

שינוי ברמת נדרש כאשר פלט החיישן אינו ממורכז באמצע-הכולה (למשל, חיישן חד-קצה עם מצב משותף 0.5 V ו- 0 – 1 V נדנדה) השתמש בהתייחסות מתח מדויק ונספח מגבר או מעגל מחלף-רמה ייעודי. להימנע משימוש במחלקים מנוגדים ישירות על השביל, כמו הם מוסיפים רעש ועומס.

4.מעסיקים מכונות הגנה ומניעה

הפרעה אלקטרומגנטית (EMI) היא אתגר גדול במכשירים המופעלים על סוללות קומפקטיות שבו מעגלים אנלוגיים רגישים coexist עם מיקרובקרים דיגיטליים, מודולים אלחוטיים וממירי חשמל.

שיטות מפתח כוללות:

(ב) ,0) ,Use a ייעודי קרקע קרקע קרקע מקבילה 1 (FLT) נפרדת מן הקרקע הדיגיטלית, מחוברת בנקודה כוכב אחד או דרך טפיל.
(ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) ,0) ,Add Guard עקבות FLT:1 סביב נתיבי אות קריטיים כדי לגרוע מהתערבות הקרקע.
(ב) ,0) ,Use מגנים כבלים או מחסנים 1 (ב) עבור חיישנים חיצוניים, במידת הצורך.
(FLT:0)Place decoupling capacitorsveFLT:1 קרוב לכל רכיב פעיל (0.1 μ Fקרמיקה בתוספת 1 –10 μ F רוב) כדי לדכא רעש אספקה.

טכניקות פסיביות אלה חופשיות מבחינת כוח ולעתים קרובות מספקות את ההחזר הטוב ביותר על ההשקעה לירידה ברעש.

5.השתמשו בניהול כוח ובאנרגיה

חיי סוללה חשובים בדיוק כמו דיוק מדידה. ניהול כוח בתתות כולל מספר אסטרטגיות:

(ב) [ה]המצבים של כוח-היתר של כוח-כוח: 1] על מגבר ו- ADCs כאשר המערכת היא בטלה.חלקים בעלי כוח נמוך רבים סגרו את הסיכות עם דליפות בקנה מידה ננואמפ.
(FLT:0) הפעלת חובה ממוחזרת 1:1; כוח מעלה את שרשרת האות רק במהלך מדידה, ואז לחזור לישון.אפילו מערכות המדורגות תועלת מתמדת מצמצום רוחב הפס של מגברים ו- ADCs למינימום הדרוש.
(ב) [15] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(FLT:0) איסוף אנרגיה מקנה 1R) כדי להשלים או להחליף את הסוללה. Piezoelectric, photovoltaic, או גנרטורים תרמואלקטריים יכול להשיל מטען סופר-capacitor או סוללה דקת-סרט, להאריך את חיי המערכת ביישומים מרוחקים.

המונחים: Battery-Powered Signaling

בחירה עמוקה

מעבר למגבר, כל מרכיב בנתיב האות חייב להיות נבחר עם כוח ודיוק בראש.

(FLT:0) Resistors:FLT:1 להשתמש ב- מתכת סרט או סוגים דקים עם טמפרטורות נמוכות coefficient (למשל, 25 ppm/deg;C) כדי למזער סחף. גבוה מתנגדים (>1 MΩ להפחית את התוספת הנוכחית אך להגביר את הרעש התרמית ואת הרגישות לדליפה.
(FLT:0)Capacitors:FLT:1 עבור מסננים, להשתמש קרמיקה NPO / C0G עבור יציבות ו דליפה נמוכה. Multilayer capaciacitors קרמיקה (MLCC) עם קבועים דיאלקטריים גבוהים (X5R, X7R) ניתן להשתמש עבור decoupling אחסון רב-מצטבר, אבל הציפוי שלהם משתנה עם מתח וטמפרטורה.
(ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(FLT:0)Digma-delta ADCs עם מגברי PGA בנויים (מגברים בעלי ערך מוסף) יכול להפחית את הצורך בהגברה חיצונית.

אפשרויות ל-Competology Choices

מעגלים פשוטים יותר בדרך כלל לצייר פחות נוכחי.לדוגמה, טופולוגיה חד הורית משתמשת פחות מרכיבים מאשר אחד שונה לחלוטין, אבל עיצובים שונים מציעים דחייה משותפת טובה יותר.ביישומים רבים מופעלים על ידי סוללה, מכשיר חד-פעמי עם הפניה קרקעית ייעודית הוא מספיק.

שיקול טופולוגי נוסף הוא השימוש מעגלים מעבורת מול זמן מתמשך. בעוד מסננים מעבורת יכול להיות מאוד יעיל כוח, הם מציגים רעש שעון ודורשים פריסת לוח זהה. פילטרים פעילים בזמן רציף באמצעות דגימות בעוצמה נמוכה הם לעתים קרובות קל יותר ליישם ביישומים נמוכים.

אסטרטגיות לCelbration

סובלנות בולטת וסחף מעל טמפרטורה וזמן יפחיתו את הדיוק. במערכות המופעלות על סוללות, כיל תקופתי ניתן לעשות באמצעות הפניה פנימית או מקור ל calibration חיצוני במהלך מחזור תחזוקה.

Auto-zero או מגבר מחוזקות מעצימות אוטומטית לתקן את הניקודות והסחף נמוך, אבל הם אוכלים כוח נוסף בשל המעגל המחלף.עבור מערכות שיכולות לסבול זמן קצר חם, גישה פשוטה יותר היא לאחסן משככי קלוריות בזיכרון לא-volleati וליישם אותם דיגיטלית לפלט ADC.

בדיקה ואימות של Depha Conditioning Performance

אין עיצוב שלם ללא אימות. בדיקות מפתח עבור מיזוג אותות מופעל סוללות כוללים:

(ב) ,0) מדידה: 1FLT (ה) השתמש מנתח ספקטרום כדי לאשר את רצפת הרעש בקלט ADC.
(ב) צריכת חשמל:00(Power הצריכה: ⁇ FLT:1) מדד quiescent הנוכחי של שרשרת האותות כולה הן במצבי שינה והן פעילים.
(FLT:0) דיוק על הטמפרטורה: FLT:1 להציב את המערכת בתא תרמי מ -20 °C ל +60 °C (או הטווח הנדרש שלך) ולרשום את השגיאה המדידה.
מבחן השחרור של FLT:0Battery: FLT:1Build להפעיל את המערכת על סוללה בפועל ו לפקח ביצועים לאורך עקומת השחרור.חלק מעגלים עשויים להיות לא יציבים במתח סוללה נמוך.
(FLT:0) רגישים: FLT:1 חשוף את המערכת להפרעות ידועות (למשל, מ משדר אלחוטי) ולוודא כי שרשרת התניה של האות דוחה אותו כראוי.

דוגמה אמיתית לעולם: עיצוב חיישן טמפרטורה דלת כוח נמוך Node

שקול חיישן טמפרטורה אלחוטי המופעל על ידי תא מטבע CR2032 (220 mAh) קורא את המrmistor כל 10 שניות ומעביר דרך BLE.המתת המrmistor משתרע על 0.3 –2.5 V מעל -40 °C ל +85 ° C. ADC ב BLE SoC יש 0 &ash; V טווח עם רזולוציה של 12 סיביות.

שרשרת המיזוג כוללת מתפצל מתח (לטיית הממתאם), מסנן פסיבי של RC נמוך (הקורן ב 10 הרץ) כדי להפחית את הרעש, ודגימה מוגדרת כעוקב מתח (רווח חד-משמעי) לספוג את האותות ו-Accupence (A) ב- 11.9 שעות) ו-A) הוא נשלט על ידי התפלגות זמן (FLT:0ADA40FLT) יש התפלגות 24:1 ו-A) בממוצע (ב) ל- 1019) ו-A) בין התפצלהמחזור של 1019; AD) ו-A) ו-A) כולל התפלגות (A) ו-A) הוא 119; AD) ו-A) הוא 1195; AD) ו-A) ו-A) בין התאריכים 1019; AD) ל-A) הוא 1D) ל-A) ל-A) ל-A) ל-A) בין התאריכים 10195; AD) ל-A {\displaystyle 1195195; AD {\displaystyle 119; A {19; A {d (A {\displaystyle 119; A {d (A {\displaystyle 1

מגמות עתידיות במצב אותות נמוך

הביקוש לחיים ארוכים יותר של סוללות ודיוק גבוה יותר ממשיך להניע חדשנות.

(FLT:0) Ultra-low-power Digital ההמרה: OVAFLT:1) New SAR ADCs עם צריכת חשמל מתחת ל 100 μ W בשעה 1 MSPS מופיעים.
(FLT:0) מקנה למידה על הקצה: FLT:1; מאיץ רשת עצבית דלת כוח יכול לעבד אותות מותנים באופן מקומי, צמצום כוח השידור.
(FLT:0) נספחים אנלוגיים משולבים (AFEssrov): 1:1 צ'יפס ייעודי עבור חיישנים ספציפיים (כמו חיישנים של ECG או גז) משלבים את ההגברה, סינון ו- ADC בחבילה אחת, כוח וביצועים.
(FLT:0) נביחת אנרגיה מתקדמת: 1FLT:1ir חומרים חדשים ועיגולים יכולים לקצור מתדרציות זעירות, חום גוף או אור מקורה, המאפשר חיישנים מופעלים על ידי עצמי.

מסקנה

מיזוג אותות במערכות המופעלות על ידי סוללות הוא ניתן להשיג באמצעות בחירה זהירה של רכיבים בעלי כוח נמוך, טופולוגיה מעגלית מתחשבת, ובדיקה קפדנית.המפתח הוא להבין את הבורסות בין רעש, רוחב פס, כוח ודיוק, וליישם טכניקות עיצוב הממקסימות יעילות מבלי להתפשר על איכות המדידה.

על ידי יישום מגברי כוח נמוך, סינון הולם, אופטימיזציה לטווח אותות, מגן וניהול כוח אינטליגנטי, מהנדסים יכולים ליצור מערכות המספקות נתונים אמינים במשך שנים על סוללה אחת. כמו איסוף אנרגיה וכוח אולטרה נמוך ICs מראש, האפשרויות לחישה נרחבת ו ניטור ורחבה ומדורגת; ביצוע עקרונות של התניה יעילה יותר חשוב מתמיד.